首页 > 分享 > 植物如何啟動受精恢復？中國科學家發現新機制破解百年謎團

植物如何啟動受精恢復？中國科學家發現新機制破解百年謎團

花匠小妙招
2024-10-13 02:26

　　中新網北京7月28電(記者孫自法)植物如何感知雌配子受精失敗進而啟動受精恢復以確保受精成功？植物開花受精過程中這種極具生命力的自然現象，自1904年發現以來，已成為延續超過百年的科學之問。

　　這一備受學界關注的百年科學之問謎團，最近被中國科學院遺傳與發育生物學研究所(遺傳發育所)李紅菊團隊研究破解，他們發現雌配子直接通過分泌花粉管吸引信號恢復受精的機制，確認植物中央細胞具有花粉管吸引能力的兩個信號分子SALVAGER1(SAL1)和SAL2，是雌配子控制的受精恢復機制的主效因子。

李紅菊研究員(中)和研究團隊成員在實驗室研討分析實驗樣品與數據。中國科學院遺傳發育所供圖

　　該項研究回答了為什麼植物雙受精失敗胚珠會持續吸引花粉管的問題，也為回答自然界有些物種的助細胞在進化中丟失提供了線索，併為通過人工授粉挽救瀕危物種提供了理論參考。相關成果論文北京時間7月28日夜間在國際著名學術期刊《細胞》線上發表。審稿人評價“這項工作很重要”“發現了一個意料之外的中央細胞的功能”。

　　論文通訊作者李紅菊研究員介紹説，植物開花受精發育形成果實是人類熟知的自然規律，也為人類提供了賴以生存的重要“口糧”。早在1904年，人們就觀察到植物開花受精過程中的一種極具生命力的現象——受精恢復，即植物的雌配子受精失敗後，胚珠會吸引額外的花粉管運送來新的精細胞，以確保受精成功。其中，被子植物的胚囊被包裹在胚珠中，一般包含兩個助細胞、兩個雌配子(兩個雌配子包括一個卵細胞和一個中央細胞，受精後分別發育成胚胎和胚乳)以及三個反足細胞。

　　過去20年的研究發現，助細胞分泌花粉管吸引信號，在植物受精中發揮重要作用。然而，該研究團隊發現通過生物技術獲得的缺失助細胞的胚珠，受精恢復機制可以不依賴助細胞而確保植物繁殖成功，那麼，其受精恢復的秘密到底藏在哪呢？研究團隊將目光聚焦到中央細胞，而他們和中國科學院遺傳發育所楊維才院士的早期研究工作已證實中央細胞參與花粉管吸引。

李紅菊研究員(左)和研究團隊成員在實驗室研討分析實驗樣品與數據。中國科學院遺傳發育所供圖

　　在此基礎上，研究團隊通過轉錄組分析方法，確定97個植物候選分泌型小肽分子，這些小分子具有分泌出細胞的特性，符合可以作為花粉管吸引信號的特徵。對這些小肽進行體外純化，再通過體外花粉管吸引實驗進行一一驗證，最終篩選出SAL1/2這兩個具有花粉管吸引能力的信號分子。在體內條件下，進一步證明它們具有花粉管吸引能力，並且SAL1/2能夠直接結合在花粉管的質膜上。有趣的是，研究人員發現SAL1/2在受精前定位於中央細胞。但當助細胞吸引能力缺陷或者在受精過程中被突變花粉管破壞，研究團隊觀察到SAL1/2定向分泌到胚珠珠孔，到達株孔外的株柄上。

　　“這意味著從空間分佈上取得了SAL1/2可以作為吸引信號引導花粉管從株柄到達胚囊的證據。”李紅菊指出，為進一步證實這一新發現，研究團隊利用基因編輯技術構建了研究SAL1/2功能的擬南芥突變體。實驗結果顯示，中央細胞SAL1/2花粉管吸引過程，與已知的助細胞花粉管吸引過程在保障受精的功能中存在功能冗余，並表明SAL1/2是雌配子控制的受精恢復機制的主效因子。

SALVAGER負責受精恢復機制模式圖。中國科學院遺傳發育所供圖

　　她表示，研究團隊通過抽絲剝繭層層論證，最終證明SAL1/2在助細胞失效時被分泌到珠孔外，發揮吸引花粉管的功能，也證明中央細胞通過分泌SAL1/2直接參與植物的受精恢復機制。此外，研究團隊還對擬南芥的近緣種琴葉擬南芥也開展類似研究，並且得到同樣的結論，這表明中央細胞控制植物受精補償的機制在自然界可能是一個普遍現象。

　　中國科學院遺傳發育所透露，目前，李紅菊研究團隊正致力於解析傳粉受精過程中生殖隔離的遺傳機制，並基於相應的理論對大豆、油菜等進行遺傳操作和遠緣雜交，希望通過將野生植物基因資源導入栽培品種創制智慧適應性新作物，以應對全球極端氣候和病蟲害頻發，為保障糧食安全貢獻力量。